第五章 粘性流体流动及阻力yc

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第二节 粘性流体的两种流动状态
一、 雷诺实验 步骤：1.阀5的开度从0到最大，观察流态，测量hf 、v； 2.阀5的开度从最大到0，观察流态，测量hf 、v； 结果： 层流
紊流
vc'
vc
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第二节 粘性流体的两种流动状态 一、 雷诺实验
hf=kvm
层流，m=1。
紊流，m=1.75～2。
层流
过渡区
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第二节 粘性流体的两种流动状态
任意流层之上下侧的 切应力构成顺时针方向 的力矩，有促使旋涡产 生的倾向。
+
+
-
+
高速流层
低速流层
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第二节 粘性流体的两种流动状态
涡体
旋涡受升力而升降，产生横向运动，引起流体层之间的混掺
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第二节 粘性流体的两种流动状态
紊流的发生
紊流发生的机理是十分复杂的，下面给出一种粗浅的描述。

pz2 du x rdr
d p z 2 du 常数 dx rdr
因为流动 轴对称，u仅 仅是r的函数
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因为缓变 流，p/γ+z仅仅 是x的函数
第四节 圆管中的层流流动
一、 速度分布
x
r
z
z1
p1
dx

G
p2 p 1
x p
r

2 ir 0 2 2 Q u 2 rdr r r rdr 0 0 0 4
r 0
第四节 圆管中的层流流动
一、 速度分布
x
r
z
z1
p1
dx

G
p2 p 1
x p
x
dx

z2

dh f 2 du i 常数 dx rdr
rr ,u0 0
i 2 2 u (r 0 r ) 4
i 2 umax r0 4
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二、 流量和平均速度
r
x
dr
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第四节 圆管中的层流流动
一、 速度分布
r
r
p1
dx

G

p p2 p dx 1 x
x

因为在直管中的流动定常不可压，所以微元柱体 作匀速直线运动。∑Fx = 0。
2 2 2 F p r p r 2 r dx r dx si 0 n x1 2
x
dx

z2

列微元柱体两 端的能量方程
2 2 v1 v 2 p v p v 1 1 2 2 z z dh dh 1 2 f j 2 g 2 g dh j 0
d p p p p z 2 du 2 1 dh z z d z 常数 f 2 1 dx rdr 19
层流流动的稳定 性丧失（雷诺数 达到临界雷诺数） 扰动使某流层发 生微小的波动 流速使波动 幅度加剧 造成 新的 扰动
在横向压差与切应力的 综合作用下形成旋涡
旋涡受升 力而升降
引起流体 层之间的 混掺
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第二节 粘性流体的两种流动状态 对比 抗衡
v
扰动因素
粘性稳定
d
vd Re
来自百度文库
利于稳定
圆管中恒定流动的流态转化仅取决于雷诺数，这是客观规律 用无量纲量表达的又一例证，也是粘性相似准则的实际应用。
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第五章 粘性流体流动及阻力 第一节 流动阻力的分类 一、 沿程阻力及沿程损失 沿程阻力是指流体在过流断面沿程不变的均匀流道 中所受的流动阻力。由此所发生的能量损失称为沿程损 失。 l v2
hf d 2g
二、局部阻力及局部损失 局部阻力是指流体流过局部装置(如阀门、弯头、 断面突然变化的流道等)时，也就是发生在急变流中的 阻力。由此所发生的能量损失称为局部损失。
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第四节 圆管中的层流流动
一、 速度分布
r
z
x

p1
dx
x z sin
x sin z
du dr
G

p2 p 1
x p
x
dx
2 2 2 F p r p r 2 r dx r dx si 0 n x1 2
第五章 粘性流体流动及阻力
任务：1.流动阻力产生的原因， 2.流动状态， 3.层流和紊流， 4.绕流阻力问题。 内容：第一节 第二节 第三节 第四节 第五节 第六节 第七节 流动阻力的分类 粘性流体的两种流动状态 附面层和管流起始段的概念 圆管中的层流运动 缝隙流 圆管中的紊流运动 不可压缩流体绕流物体的运动
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二、 流态判别准则——雷诺数
Re
vd vd
Re 2320 时，层流 c＝ vd Re Re 时，紊流 c
一切有压流
2000 vd i Re 2000
时，层流 时，紊流
一切无压流
1200 vd i Re 1200
v2 hj 2g
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第一节 流动阻力的分类
hf hw=hf+hj hj
理想流体总水头线 粘性流体总水头线
位置水头线
o
水平基准线
o
hw=∑hf+ ∑ hj
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第二节 粘性流体的两种流动状态 一、 雷诺实验
目的：观察流态；研究hf 。
原理：1.黑色水和透明水同时流入透明的管内。 2.伯诺里方程。 装置：
时，层流 时，紊流
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第三节 附面层的概念 沿壁面的法线方向一个速度逐渐增加的区域，这 就是附面层。 速度从壁面处的零增加到0.99u∞时的法线方向的距 离，定义为附面层厚度，用δ表示。
Rex = u∞x/ν
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第三节 附面层的概念
附面层分离
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第三节 附面层的概念
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第四节 圆管中的层流流动 本节讨论粘性不可压缩粘性流体在等径直管中的定 常层流流动规律。 速度分布 流量和平均流速 内摩擦应力分布 沿程损失
紊流
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第二节 粘性流体的两种流动状态
1883 年，雷诺试验表明：圆管中恒定流动的流态转化取决 于雷诺数 vd
Re

d 是圆管直径，v 是断面平均流速， 是流体的运动粘性系数。
实际流体的流动之所以会呈现出两种不同的型态是扰动因素 与粘性稳定作用之间对比和抗衡的结果。针对圆管中恒定流动 的情况，容易理解：减小 d ，减小 v ，加大 三种途径都 是有利于流动稳定的。综合起来看，小雷诺数流动趋于稳定， 而大雷诺数流动稳定性差，容易发生紊流现象。